Advanced Materials:基于缺陷调控的高效全无机钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池被广泛认为是下一代极富前景的光电转换器件,目前其光电转换效率已超过25%,但是该杂化结构中有机阳离子基团的光化学和热稳定性均较差,因此研究人员开始开发全无机钙钛矿太阳能电池(如铯基)以改善其稳定性。其中,CsPbI3由于其适当的带隙结构,被认为是最适宜的活性层材料,特别是应用在叠层太阳能电池体系。然而,立方相CsPbI3极不稳定,会迅速降解为黄色非钙钛矿相,使其在室温下几乎无法吸收太阳光。此外,尽管立方相CsPbI3的带隙为1.73 eV,但大多数基于CsPbI3太阳能电池的开路电压均小于1.0 V,这主要是由于CsPbI3晶体生长过程中会不可避免地形成浅层或深层缺陷。因此,亟待开发新型的全无机钙钛矿材料,使其具有良好的稳定性以及较少的固有缺陷。

鉴于此,美国莱斯大学材料科学与纳米工程系楼峻教授课题组提出了一种基于立方CsPbI3的缺陷调控策略,通过简单的液相工艺在无惰性气氛保护条件下制备出新型全无机钙钛矿(CsPbI3:Br:InI3)。这种新型钙钛矿结构保留了CsPbI3完美的带隙,同时通过缺陷的大幅抑制实现了稳定性能的显著提升。为了进一步降低生产成本,课题组采用廉价碳电极替换了昂贵且不稳定的有机空穴传输层和贵金属电极,开发出具有FTO/c-TiO2/m-TiO2/CsPbI3:Br:InI3/carbon构型的太阳能电池器件,实现了高达1.20 V的开路电压和12.04%的光电转换效率。此外,该钙钛矿太阳能电池展现出非常优异的稳定性能,在环境压力下光伏性能可维持超过两个月。该工作表明缺陷工程有望成为一种改善钙钛矿太阳能电池性能的有效途径。

相关论文在线发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201903448)。